第３３卷第２期 ２０１ ３年４月 辽宁工业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ 基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感技术的 高校校园路灯监控系统 洪培在 ，佟俊达２，曹 勇 （１．辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州 １２１００１：２．锦州供电公司，辽宁锦州１２１０００） 摘要：针对目前高校校园路灯陈旧的管理模式，提出基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感技术的校园路灯智能监控系统， 实现低成本下的路灯实时监测和节能控制功能。设计了校园路灯智能监控系统结构及路灯终端控制器，采用模糊 控制技术实现路灯电压的稳定供给，同时给出ＺｉｇＢｅｅ无线传感技术下不同区段路灯的控制策略，并采用 ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶｌ编写上位机监控软件。整个系统具有稳定性好、实时性强等优点，实现了校园路灯的节能控制。 关键词：校园路灯：智能监控：模糊控制；ＺｉｇＢｅｅ无线传感 中图分类号：ＴＰ２７７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４．３２６１（２０１３）０２．００８６．０６ Ｓｔｒｅｅｔｆｉｇｈｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ Ｃａｍｐｕｓ ＨＯＮＧ Ｐｅｉ－ｚａｉ ，ＴＯＮＧ Ｊｕｎ．ｄａ２ＣＡＯ Ｙｏｎｇ ，（１．ＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｔｒｅｅｔ ｌｉｇｈｔ ｏｎ ｃａｍｐｕｓ ｉｓ ｏｌｄ ａｎｄ ｕｎｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ，ａ ｎｅｗ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｓａｖｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｏｆ ｓｔｒｅｅｔ ｌｉｇｈｔ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｓｔａｂｌｅ ｓｕｐｐｌｙ ｏｆ ｓｒｅｅｔｔ ｌｉｇｈｔ ｖｏｌａｇｅ ｕｔｓｅｄ ｏｎ ｃａｍｐｕｓ．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｒａｔｔｅｇｙ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｚｏｎｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｂｙ ｓｉｕｎｇ ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｌｏｗ－ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｍｐｕｓ ｓｔｒｅｅｔ ｌａｍｐｓ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔ ｏｎ ｃａｍｐｕｓ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 辽宁工业大学地处锦州市区北部，依山而建， 地势凹凸复杂。路灯作为晚间出行及景观照明，不 仅事关师生出行安全，同时大大影响能源消耗。目 前，整个校园的路灯（除景观灯外）大约有１６０盏， 联系，造成亮灯、熄灯时间不科学。 （２）未能参考高校教学、生活等规律来设置各 教学区、生活区及区间路段的路灯亮灯、熄灯的时 间。如西华中路等路段的路灯在２１：３０左右就熄灯， 这比图书馆等场所关闭时间早，造成学生回宿舍的 且基本为传统的单侧路灯集中控制方式，主要存在 如下问题： 路上照明没有很好的保证。 （３）未能在最大保证师生出行安全的前提下， （１）未能与季节变换、天气状况、经纬度紧密 收稿日期：２０１２－１卜２９ 作者简介：洪培在（１９８９一），男，福建南安人，硕士生。 曹勇（１９７７一），男，辽宁锦州人，副教授，博士。 第２期 洪培在等：基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感技术的高校校园路灯监控系统 ８９ 在电压采样电路中，采用电压互感器电路，电 压互感器采集处理后的电压信号经由ＲＦ和ＣＦ组成 的抗混叠滤波电路滤波输入到ＵＰ和ＵＮ中。电流 互感器电路中，电流输入信号从电流互感器输出 后，流经采样电阻变成采样电压信号，后由ＲＦ和 ＣＦ组成的电路滤波输入到ＩＰ和ＩＮ当中。 ２．３路灯供电电压模糊调整策略 路灯运行过程中，应保证供电电压稳定。但由 于电网电压易发生波动，因此不仅造成灯具效率低 下，而且严重时将损坏灯具。本设计中使用电力电 子器件、触发控制电路及变压器控制电路来组成供 电电压调整电路，并采用模糊控制策略，通过调节 电力电子器件的触发角大小来控制电抗变换器的 二次线圈电流大小，实现电网电压波动情况下的供 电电压智能调节，以保证路灯很高的运行效率，同 时将大大延长灯具的使用寿命。 在路灯供电电压调整过程中，采用模糊控制策 略能够避免对路灯对象进行建模。通常情况下，电 网电压的波动范围为２２０ Ｖ＋１０％，因此采用模糊控 制策略可以使路灯尽可能地稳定工作在最佳供电 电压区域。设计模糊控制器为单输入单输出结构， 系统输入量为供电电压偏差量Ｅ，系统输出量为供 电电压调整量。 路灯灯具设计的额定工作电压为２２０ Ｖ，而电 网电压的波动范围为［１９８，２４２】，因此模糊控制器输 入量，即供电电压偏差量Ｅ的范围为【．２２，２２］；而 模糊控制器输出量，即供电电压调整量 的范围为 ［．２２，２２】，其论域均为有限论域。分别将模糊输入量 和模糊输出量的论域量化为７个等级，则有 Ｅ１＿｛一３，－２，－１，０，＋ｌ，＋２，＋３｝，乙 ｛－３，－２，一１，０，＋１，＋２，＋３｝。 取模糊语言值为｛ＰＢ，ＰＳ，Ｏ，ＮＳ，ＮＢ｝，则 和 【厂的赋值表分别如表１和表２所示： 表ｌ供电电压偏差量 的赋值表 根据电网电压供电规律并经过相关统计，确定 模糊推理控制规则如下： （１）ｉｆ Ｅ＝ＮＢ ｔｈｅｎ Ｕ＝ＰＢ （２）ｉｆ ＮＳ ｔｈｅｎ ＰＳ （３）ｉｆ Ｅ＝Ｏ ｔｈｅｎ Ｕ＝Ｏ （４）ｉｆ庐ＰＳ ｔｈｅｎ Ｓ （５）ｉｆ Ｅ＝ＰＢ ｔｈｅｎ Ｕ＝ＮＢ 同时，确定模糊关系为： Ｒ＝（ＮＢＥ× ）＋（ＮＳＥ ｘＰＳｖ）＋ （ ×ｏｕ）＋（ Ｘ ＮＳｖ）＋（ ×ＮＢｖ）（１） 根据模糊推理控制规则，可以得到模糊输出 量，即供电电压调整量为Ｕ＝ＥｏＲ．根据当前测得 的电网电压值算出供电电压偏差量Ｅ，进而得出对 应论域里面的量化等级及隶属值，将其代入公式 Ｕ＝ＥｏＲ后，即可算出电网电压调整量 的量化 等级，并根据事先确定的范围通过解模糊化运算得 到具体的调整值。 类似地，路灯终端控制器能够实现在一定范围 内，将路灯供电电压稳定在某一个准确电压值，方 便实施符合学校实际情况的路灯电压调节。 ３ ＺｉｇＢｅｅ智能无线监控网络 ３．１路灯监控系统的工作模式 路灯监控系统可以在脱机和联机两种模式下 工作。在脱机模式下，监控系统能地采集数据、 存储数据、通过ＵＳＢ上传Ｆｌａｓｈ数据到ＰＣ端。在 联机模式下，监控系统可以把采集到的数据通过 ＺｉｇＢｅｅ网络实时的发送到协调者，协调者连接至 ＰＣ，即可以在ＰＣ端观察各个节点采集的实时数据。 ３．２ ＺｉｇＢｅｅ网络建立 ＺｉｇＢｅｅ的设备联网功能十分优越，可以支持树 状结构、星型结构及网状结构三种自组织无线网 络。其中，星型结构网络是一种常用且适用于长期 运行使用操作的网络；树形结构的网络则易于进行 扩展；网状结构具有网络覆盖范围大，并可以利用 路由发现功能，能够实现自愈合，因而可靠性高、 抗干扰能力强。根据校园路灯分布特点，选择网络 拓扑结构，依此结构建立的网络具有内置冗余保 证，如果网络中有节点失效，其他节点能够不受影 响地正常工作。 根据之前介绍，可以对学校网络进行分片区管 理，所以每个片区的控制策略也有其特殊性。结合 高压钠灯的特点，可以实施符合实际的钠灯控制方 案。根据高压钠灯厂家对２５０Ｗ在直径２ ｍ的光球 内，按照国家标准测得如表３所示数据。 第２期 洪培在等：基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感技术的高校校园路灯监控系统 ９１ （２）现场状况：该功能块向用户提供了每个网 （１）通过ＺｉｇＢｅｅ无线网络建立了稳定而且成本 低、功耗低的无线监控系统。 （２）通过监控系统能够实时监测各路段的路灯 状况，分析各路段路灯运行的数据，得出良好的控 制策略，及时发送至终端控制节点进行实时控制。 （３）人性化的人机界面使得操作员能更容易地 进行操作控制。 络区域中对应的实时信息。系统管理员即用户通过 网络区域下方的下拉菜单可以选择不同的区域，比 如学习区Ａ、学习区Ｂ、生活区等，系统根据用户 的选择来显示对应的相关信息，包括现场照度、电 流值和电压值。 （３）用户菜单中：该功能模块是基于现场状况 中网络区域的选择。以选择学习区Ａ为例，子菜单 实时监测向客户展示了该区域各节点的工作状态； 报警管理提示当前是否有警示，具体哪个节点出现 问题；实时控制可以根据现实需要及特殊情况对路 灯状态及相关参数进行改变；设备状态对终端的工 作状态进行实时检测显示；系统管理则可以对这个 网络进行相关的配置。 （４）系统主菜单：该功能块主要是对整个系统 进行开关动作及相关调试，同时在“网络状态”的 文字框中实时显示对应区域整体网络运营状态。历 史数据功能则为用户提供了查询及做出相应分析。 参考文献： 【１］Ｚｈａｎｇ Ｊｕｎ，Ｗａｎｇ Ｈｕｉ，Ｑｉａｏ Ｇｕｉｆａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ＷＳＮ ｂａｓｅｄ Ｒｅｍｏｔｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｔｒｅｅｔ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｒｏｃｄｉｅａ，２０１ １（１３）： ９２７３．９２７９． ［２】胡开明，李跃忠，卢伟华．智能路灯节能控制器的设计 与实现［Ｊ］．现代电子技术，２００９（９）：１４３－１４５． ［３】Ｌｉｎ Ｊｉａｎｙｉ，Ｊｉｎ Ｘｉｕｌｏｎｇ，Ｍａｏ Ｑｉａｎｊｉｅ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｔｒｅｅｔ Ｌａｍｐｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｚｉｇｂｅｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，２００９（５）：３３ １ １－３３ １ ３． ４结 论 ［４】沈建华，郝立平．ＳＴＭ３２Ｗ无线射频ＺｉｇＢｅｅ单片机原理 与应用［Ｉ ．北京：中国航空航天大学出版社，２０１ ０． 该校园路灯智能监控系统结合了ＺｉｇＢｅｅ无线 网络技术的优点，使得整个校园路灯管理实现了以 下几点功能： （上接第８５页） 布均呈或近似呈正态分布，依据类别进行模糊划分 ［５孙晓云，郭立炜，孙会琴．基于ＬａｂＷ５］ｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ的虚拟 仪器设计与应用口川．北京：电子工业出版社，２００５． 责任编校：孙林 ［３】陈铁明，马继霞，Ｓａｍｕｅｌ Ｈ Ｈｕａｎｇ，等．一种新的快速特 征选择和数据分类方法［Ｊ］．计算机研究与发展，２０１２， ４９（４）：７３５７７４５． 具有很好的效果。如何在具有更多数据类型的数据 上提取模糊规则，还需要进一步的研究。 ［４］荣莉莉，王众托．从样本数据中获取模糊规则的一种 算法［Ｊ］．系统工程学报，１９９８，１３（１）：５７—６５． ［５】赵妍，逢玉俊，文东丽．从数据中提取模糊规则的算法 研究［Ｊ】．石油化工高等学校学报，２００４，１ ７（３）：８３～８８． ［６王文森．变异系数一一个衡量离散程度简单而有效的统 ６］计指标［Ｊ］．中国统计，２００７（６）：４１－４２． ’参考文献： ［１】Ｗａｎｇ Ｌ Ｘ，Ｍｅｎｄｅｌ Ｊ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｆｕｚｚｙ ｒｕｌｅｓ ｂｙ ｌｅａｒｎｉｎｇ ｆｒｏｍ ｅｘａｍｐｌｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｍａｎ ａｎｄ Ｃｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ，１９９２，２２（６）：１４１４－１４２７． ［２】李洁，邓一鸣，沈士团．基于模糊区域分布的分类规则 提取及推理算法［Ｊ］．计算机学报，２００８，３１（６）：９３４—９４１． ［７］王涛，王艳平，唐剑涛，等．模糊数学及其应用【ｌ ．沈 阳：东北大学出版社，２００５． 责任编校：孙林
